CN109748237B - 一种具有防冰和减阻一体化功能的微结构及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有防冰和减阻一体化功能的微结构及其构建方法，包括以下步骤：1)对聚合物基底材料进行预处理；2)利用等离子刻蚀设备加工出含有微结构的压印模板，随后将压印模板和聚合物基底材料紧密贴合，使用上下固定基板将压印模板和基底材料固定，形成压印模板‑聚合物基底层叠体；3)将压印模板‑聚合物基底层叠体加热，施加压力，而后取出压印模板‑聚合物基底层叠体。4)将施加压力后的压印模板‑聚合物基底层叠体放入乙醇溶液中，超声之后将压印模板和聚合物基底材料分离，得到完整均匀的具有防冰和减阻一体化性能的微结构。将防冰和减阻性能有效的结合起来，提高了应用过程中的经济性、安全性和环保性。
Description
技术领域
本发明属于材料表面微结构加工技术领域，特别涉及一种聚合物材料表面具有防冰和减阻一体化功能的微结构的构建方法。本发明所构建的具有防冰和减阻一体化功能的微结构表面对航空飞行器防除冰技术发展及空气动力学设计具有重要指导和实践意义。
背景技术
航空产业作为高、精、尖、技术密集、资金密集的大型制造业代表，是衡量国家工业基础、科研领先水平以及综合国力的重要标志。目前，国家重大战略、国际航空市场需求已经引领我国航空产业进入快速发展时期，因此，航空飞行器对经济性、安全性和环保性的需求也显得尤为迫切。
降低飞行阻力是提高飞机经济性的一个重要途径。大型飞机的实际飞行统计数据表明，阻力与燃油经济性呈现密切关联。对于B737、B747、B757、B767和B777机型而言，每1％的阻力提高都相当于每年额外消耗1.5万gal、10万gal、2.5万gal、3万gal和7万gal航空燃油。现代大型飞机在巡航状态下，摩擦阻力占到了飞机总阻力的45％，基于摩阻和全机总阻力的关系，传统民机减阻的技术途径是持续进行亚音速常规气动布局的优化和改型设计，从层流翼型开发应用和全机外形优化的外因角度降低全机飞行阻力。然而经过数十年的发展，大型飞机的总体气动布局相对稳定，且其气动设计方法日趋成熟，这标志着亚音速大型客机的气动设计进入了精细化时代。因此，具有高效气动减阻功能的材料微结构表面在飞行器的设计中有着广泛的应用前景。
此外，结冰一直是威胁民用飞机安全性的重要因素之一，飞机结冰的问题一直是各国航空界重要的研究课题，也是飞机设计面临的关键问题之一。据美国联邦航空管理局的统计，全球1990-2008年间因飞机结冰导致的飞行事故达700余起，随着我国航空科学技术的快速发展，开展飞机结冰及其防护相关基础问题的研究具有重要而紧迫的意义。目前，通用的飞机防/除冰方法多是以机械振动、液体除冰和电热除冰为主，虽然具有一定的效果，但是需要在飞机上加装额外的防/除冰装置，增加了飞机重量，继而导致飞机设计复杂化、制造成本攀升以及燃油效率降低，难以满足现代新型飞机轻量化和高燃油经济性设计的要求。此外，飞机表层金属也会因为不断地处于冷热交替或机械振动的条件下，其热疲劳和机械疲劳性能降低，从而影响飞机的整体安全性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种在聚合物基体表面制备具有防冰、减阻一体化功能的微结构及其构建方法，以解决航空飞行器表面在服役过程中高空气阻力和结冰等问题。
本发明技术方案如下：
一种具有防冰和减阻一体化功能的微结构的构建方法，包括以下步骤：
1)对聚合物基底材料进行预处理：在混合溶液中进行清洗，随后烘干备用；
2)利用等离子刻蚀设备加工出含有微结构的压印模板，随后将压印模板和聚合物基底材料紧密贴合，使用上下固定基板将压印模板和基底材料固定，形成压印模板-聚合物基底层叠体；
3)将压印模板-聚合物基底层叠体加热，施加压力，而后取出压印模板-聚合物基底层叠体。
4)将施加压力后的压印模板-聚合物基底层叠体放入乙醇溶液中，超声之后将压印模板和聚合物基底材料分离，得到完整均匀的具有防冰和减阻一体化性能的微结构。
所述的构建方法，步骤1)中，所用的聚合物基体材料为聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚乙烯，聚氯乙烯，聚碳酸酯，聚四氟乙烯之一。
所述的构建方法，步骤2)中，压印模板所用的材料为碳化硅。
所述的构建方法，步骤2)中，离子刻蚀过程在ICP高密度等离子刻蚀机上进行，上/下电极的功率设定为550～600W/300～350W,气压设定为1～10Pa,SF6气体的流量设定的范围为20～60sccm。
所述的构建方法，步骤2)中，所用的压印模板的微结构为：楔形斜面微结构阵列，楔形斜面排列为首尾相连延伸至边界、且两侧延伸至边界的微结构阵列，并且楔形斜面上带有V型沟槽。
所述的构建方法，步骤2)中，楔形斜面高度为50-100μm，长度为100-300μm，倾斜角度设置为20-30°；V型沟槽间距为20-40μm，V型沟槽高度为20-40μm，V型沟槽夹角为60°。
所述的构建方法，步骤3)中，聚合物基底材料为结晶型聚合物或者非结晶型聚合物。
所述的构建方法，步骤3)中，采用微热压印技术，热压前将非结晶型聚合物基底预热到其玻璃化转变温度Tg以上5℃-20℃，热压温度为Tg以下5℃-20℃，将结晶型聚合物基底预热到结晶熔点Tm以下40℃-60℃，热压温度为Tm以下10℃-50℃；热压速度为0.01mm/s，热压位移为0.35mm，压力为2-10MPa，压印时间为20-30min。
所述的构建方法，所述步骤4)中超声分离基底材料的时间为5-10min。
根据任一所述方法构建的具有防冰和减阻一体化功能的微结构。
采用本发明的方法制备的具有防冰、减阻一体化功能的微结构具有以下特点：
1)具有防冰、减阻一体化功能的微结构可以将防冰和减阻性能有效的结合起来，提高了应用过程中的经济性、安全性和环保性。
2)具有防冰、减阻一体化功能的微结构性能较为均匀，构建过程可控。
3)具有防冰、减阻一体化功能的微结构具有一定的粗糙度，对之后微纳复合结构的制备具有铺垫作用。
4)采用本发明具有防冰、减阻一体化功能的微结构，利用胶粘剂与飞机船舶金属表面粘接，从而应用至飞机船舶表面。
附图说明
图1为本发明中实施例1的方法所制备的具有防冰、减阻一体化功能的微结构的示意图；
图2为本发明中实施例1的方法所制备的具有防冰、减阻一体化功能的微结构的工艺流程图；
图3为本发明中实施例1的方法中经微热压印后，聚合物楔形体上的V状结构显微扫描图片；
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明的具有防冰、减阻一体化功能的微结构制备方法如下：
第一步，以PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，Tg为105℃)为基体，将PMMA基体裁剪为合适的尺寸，随后将其分别放入丙酮、乙醇、异丙醇、去离子水中超声清洗6min，之后快速烘干，备用。
第二步，在碳化硅片上采用离子刻蚀方法得到楔形斜面微结构阵列，楔形斜面高度为80μm，长度为150μm，楔形斜面排列为首尾相连延伸至边界、且两侧延伸至边界的微结构阵列，并且楔形斜面上带有V型沟槽，V型沟槽间距为30μm，V型沟槽高度为30μm，得到楔形微结构的压印模板，其中ICP高密度等离子刻蚀机上/下电极的功率设定为550W/350W，气压设定为8Pa，SF6气体的流量设定的范围为40sccm。随后将模板和PMMA基体紧密贴合，形成压印模板-PMMA基底层叠体，并采用上下固定基板将二者上下固定。
第三步，将压印模板-聚合物基底层叠体预热到110℃，预热过程中控制层叠体温度均匀分布，随后在100℃下进行压印，热压速度为0.01mm/s，热压位移为0.35mm，压力为4MPa，压印时间为25min。
第四步，压印完成后，取下上下固定基板，待层叠体缓慢冷却至室温后，将其在乙醇溶液中超声分离5min。
依上法可获得具有防冰、减阻一体化性能微结构的PMMA表面，空气减阻效率达到了13％，冰层表面的附着力仅有50kPa。
实施例2
本发明的具有防冰、减阻一体化功能的微结构制备方法如下：
第一步，以PVC(聚氯乙烯，Tg为80℃)为基体，将PVC基体裁剪为合适的尺寸，随后将其分别放入丙酮、乙醇、异丙醇、去离子水中超声清洗6min，之后快速烘干，备用。
第二步，将经离子刻蚀(刻蚀参数与实施例1基本一致)得到楔形斜面微结构阵列，楔形斜面高度为80μm、长度为150μm，楔形斜面排列为首尾相连延伸至边界、且两侧延伸至边界的微结构阵列结构，并且楔形斜面上带有V型沟槽，V型沟槽间距为30μm，V型沟槽高度为30μm，得到楔形微结构的压印模板，将压印模板和PVC基体紧密贴合，形成压印模板-PVC基底层叠体，并采用上下固定基板将二者上下固定。
第三步，将压印模板-聚合物基底层叠体预热到110℃，预热过程中控制层叠体温度均匀分布，随后在100℃下进行压印，热压速度为0.01mm/s，热压位移为0.35mm，压力为8MPa，压印时间为20min。
第四步，压印完成后，取下上下固定基板，待层叠体缓慢冷却至室温后，将其在乙醇溶液中超声分离5min。
依上法可获得具有防冰、减阻一体化性能微结构的PVC表面，空气减阻效率达到了12％，冰层表面的附着力仅有50kPa。
实施例3
本发明的具有防冰、减阻一体化功能的微结构制备方法如下：
第一步，以PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，Tg为105℃)为基体，将PMMA基体裁剪为合适的尺寸，随后将其分别放入丙酮、乙醇、异丙醇、去离子水中超声清洗6min，之后快速烘干，备用。
第二步，将经离子刻蚀(刻蚀参数与实施例1基本一致)得到楔形斜面微结构阵列，楔形斜面高度为70μm，长度为180μm，楔形斜面排列为首尾相连延伸至边界、且两侧延伸至边界的微结构阵列，并且楔形斜面上带有V型沟槽，V型沟槽间距为35μm，V型沟槽高度为35μm，得到楔形微结构的压印模板，将压印模板和PMMA基体紧密贴合，形成压印模板-PMMA基底层叠体，并采用上下固定基板将二者上下固定。
第三步，将压印模板-聚合物基底层叠体预热到110℃，预热过程中控制层叠体温度均匀分布，随后在100℃下进行压印，热压速度为0.01mm/s，热压位移为0.35mm，压力为4MPa，压印时间为25min。
第四步，压印完成后，取下上下固定基板，待层叠体缓慢冷却至室温后，将其在乙醇溶液中超声分离5min。
依上法可获得具有防冰、减阻一体化性能微结构的PMMA表面，空气减阻效率达到了13％，冰层表面的附着力仅有80kPa。
实施例4
本发明的具有防冰、减阻一体化功能的微结构制备方法如下：
第一步，以PP(聚丙烯，Tm为160℃)为基体，将PP基体裁剪为合适的尺寸，随后将其分别放入丙酮、乙醇、异丙醇、去离子水中超声清洗6min，之后快速烘干，备用。
第二步，将经离子刻蚀(刻蚀参数与实施例1基本一致)得到楔形斜面微结构阵列，楔形斜面高度为50μm，长度为130μm，楔形斜面排列为首尾相连延伸至边界、且两侧延伸至边界的微结构阵列，楔形斜面上V型沟槽间距为20μm，V型沟槽高度为20μm的压印模板和PP基体紧密贴合，形成压印模板-PP基底层叠体，并采用上下固定基板将二者上下固定。
第三步，将压印模板-聚合物基底层叠体预热到115℃，预热过程中控制层叠体温度均匀分布，随后在130℃下进行压印，热压速度为0.01mm/s，热压位移为0.35mm，压力为6MPa，压印时间为23min。
第四步，压印完成后，取下上下固定基板，待层叠体缓慢冷却至室温后，将其在乙醇溶液中超声分离5min。
依上法可获得具有防冰、减阻一体化性能微结构的PP表面，空气减阻效率达到了15％，冰层表面的附着力仅有50kPa。
实施例5
本发明的具有防冰、减阻一体化功能的微结构制备方法如下：
第一步，以PE(聚乙烯，Tm为127℃)为基体，将PE基体裁剪为合适的尺寸，随后将其分别放入丙酮、乙醇、异丙醇、去离子水中超声清洗6min，之后快速烘干，备用。
第二步，将经离子刻蚀(刻蚀参数与实施例1基本一致)得到楔形斜面微结构阵列，楔形斜面高度为50μm，长度为100μm，楔形斜面排列为首尾相连延伸至边界、且两侧延伸至边界的微结构阵列，楔形斜面上V型沟槽间距为20μm，V型沟槽高度为20μm的压印模板和PE基体紧密贴合，形成压印模板-PE基底层叠体，并采用上下固定基板将二者上下固定。
第三步，将压印模板-聚合物基底层叠体预热到80℃，预热过程中控制层叠体温度均匀分布，随后在110℃下进行压印，热压速度为0.01mm/s，热压位移为0.35mm，压力为7MPa，压印时间为20min。
第四步，压印完成后，取下上下固定基板，待层叠体缓慢冷却至室温后，将其在乙醇溶液中超声分离5min。
依上法可获得具有防冰、减阻一体化性能微结构的PE表面，空气减阻效率达到了13％，冰层表面的附着力仅有75kPa。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种具有防冰和减阻一体化功能的微结构的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对聚合物基底材料进行预处理：在混合溶液中进行清洗，随后烘干备用；
2)利用等离子刻蚀设备加工出含有微结构的压印模板，随后将压印模板和聚合物基底材料紧密贴合，使用上下固定基板将压印模板和基底材料固定，形成压印模板-聚合物基底层叠体；所用的压印模板的微结构为：楔形斜面微结构阵列，楔形斜面排列为首尾相连延伸至边界、且两侧延伸至边界的微结构阵列，并且楔形斜面上带有V型沟槽；楔形斜面高度为50-100μm，长度为100-300μm，倾斜角度设置为20-30°；V型沟槽间距为20-40μm，V型沟槽高度为20-40μm，V型沟槽夹角为60°；
3)将压印模板-聚合物基底层叠体加热，施加压力，而后取出压印模板-聚合物基底层叠体；
4)将施加压力后的压印模板-聚合物基底层叠体放入乙醇溶液中，超声之后将压印模板和聚合物基底材料分离，得到完整均匀的具有防冰和减阻一体化性能的微结构。
2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于：步骤1)中，所用的聚合物基底 材料为聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚乙烯，聚氯乙烯，聚碳酸酯，聚四氟乙烯之一。
3.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于：步骤2)中，压印模板所用的材料为碳化硅。
4.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于：步骤2)中，离子刻蚀过程在ICP高密度等离子刻蚀机上进行，上/下电极的功率设定为550～600W/300～350W,气压设定为1～10Pa,SF6气体的流量设定的范围为20～60sccm。
5.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于：步骤3)中，聚合物基底材料为结晶型聚合物或者非结晶型聚合物。
6.根据权利要求5所述的构建方法，其特征在于：步骤3)中，采用微热压印技术，热压前将非结晶型聚合物基底预热到其玻璃化转变温度Tg以上5℃-20℃，热压温度为Tg以下5℃-20℃，将结晶型聚合物基底预热到结晶熔点Tm以下40℃-60℃，热压温度为Tm以下10℃-50℃；热压速度为0.01mm/s，热压位移为0.35mm，压力为2-10MPa，压印时间为20-30min。
7.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述步骤4)中超声分离基底材料的时间为5-10min。
8.根据权利要求1-7任一所述方法构建的具有防冰和减阻一体化功能的微结构。
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Also Published As
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|---|---|
| CN109748237A (zh) | 2019-05-14 |
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